气溶胶是什么？对气候和人体健康有什么影响？

气溶胶指的是细小的液体或固体颗粒在空气或其他气体中的悬浮液，可以是人类活动或自然活动产生，常见的人类活动产生的气溶胶包括空气污染物、杀虫剂喷雾、香水喷雾等；常见的自然活动产生的气溶胶包括雾、沙尘等。

什么是气溶胶？

地球大气主要由78%的氮气、21%的氧气以及其他的一些惰性气体组成。除了这些气体之外，地球大气中还含有非常小的液体和固体颗粒，这些非气体悬浮物被称为颗粒物(PM)。这些颗粒物在人类健康和气候中具有极为重要的作用。

但是这些颗粒物的尺寸通常非常小，以至于当你观察周围的空气时，通常肉眼是无法看到它们。然而，在颗粒物污染严重的地区，我们就会发现远处的景物是雾蒙蒙的一片。

例如，看看下面同一个地区的两张照片。左边的空气中有很多颗粒悬浮物，右边的颗粒少很多。你能看到区别么？

这些非常小的液体和固体颗粒非常轻，所以可以长时间漂浮在空中而不会掉到地上。当颗粒物悬浮在气体中时，它被称为气溶胶。

当你听到“气溶胶”这个词时，你可能会想到一罐发胶或喷漆。当你从罐中释放发胶或喷漆时，它会释放出一团小液滴雾，称为气溶胶喷雾。然而，我们大气中的颗粒物(PM)也可以称为气溶胶，因为它悬浮在空气中的气体中。正因为如此，颗粒物也可以称为气溶胶颗粒。

悬浮颗粒物有多种尺寸，但总的来说，悬浮颗粒物非常非常小。细颗粒(PM2.5)是直径小于2.5微米(μm)的颗粒，而粗颗粒(PM10)是直径在2.5和10微米之间的颗粒。

气溶胶颗粒的来源

气溶胶颗粒有多种来源——一些是自然产生的，而另一些则是由人类活动引起的。一些气溶胶颗粒的来源如下图所示。

气溶胶颗粒物的天然来源之一是沙漠中的矿物尘埃。当空气被太阳光加热的时候，热空气密度会降低，则会上升到大气的上空。这个过程被称为对流并产生风。风可以将颗粒物质从地表高处带到大气中，在那里它可以跨越很远的距离，甚至在大陆之间移动！事实上，科学家已经证明，来自我国塔克拉玛干沙漠的尘埃只需13天就能穿越全球！

颗粒物的另一个天然来源是来自海洋的海浪。海水含有盐和其他有机化合物，这些有机化合物由生活在海洋中的藻类、细菌和其他生命形式释放。当波浪破裂时，含有这些盐和有机物的海水液滴会被夹带在大气中。这些小水滴中的水会蒸发，留下由海盐和有机化合物组成的固体颗粒。

气溶胶颗粒的人为来源包括火灾产生的烟雾、汽车尾气和工厂。当碳氢化合物燃料（例如我们汽车中的汽油）燃烧时，会发生什么？在寒冷的日子里，你可能会看到汽车的排气管冒出烟雾，甚至还有一些水滴。当燃料燃烧时，它会燃烧。燃烧是一种化学反应，燃料与空气中的氧气(O2)发生反应，分解成更小的化合物——主要产物是二氧化碳(CO2)和水(H2○）。然而，这些燃料也可以通过不完全燃烧发生反应，形成一氧化碳(CO)而不是二氧化碳。当发生不完全燃烧时，通常会形成称为烟灰的颗粒副产物。烟灰中含有未转化为气态一氧化碳的剩余碳。

除了这些来自自然和人类活动的气溶胶颗粒之外，还有来自我们大气中化学反应的气溶胶颗粒形成的二次来源。臭氧等气体可以与空气中的有机气体发生反应，形成固体产物也就是气溶胶颗粒！

气溶胶对气候的影响

地球的气候受到许多因素的影响：阳光、大气中的气体和气溶胶颗粒等因素。气溶胶颗粒在我们的气候中扮演着复杂的角色，既有直接影响，也有间接影响。直接影响是基于气溶胶粒子本身，间接影响是基于气溶胶粒子帮助云形成的能力。

直接气溶胶效应

直接气溶胶效应基于颗粒物质吸收阳光或将其散射回太空的能力（图4）。这是如何运作的？太阳的光辐射传播到地球，为地球提供驱动地球气候的热源。然而，并非所有来自太阳的光辐射都到达地球表面。这是因为气溶胶粒子（以及它们帮助形成的云）将大约25%的太阳辐射散射回太空。由于较少的太阳辐射到达地面，因此会产生冷却效果。

光散射是什么意思？当光能撞击物质（例如粒子）时，它会引发一个过程，使粒子成为新的光源。这种新光源可以向任何方向传播（图5A），这就是为什么我们说光是“散射的”。为什么会发生这种光散射？这是一个复杂的概念，但这里是一个一般性的解释。要了解光散射，我们必须了解光是一种电磁波（图6B）。这意味着它是由电场和磁场组成的波。电场和磁场可以对带电物质施加力，例如质子、电子和分子偶极子。

这些场可以对具有偶极矩的分子施加力。电磁力导致带电物质移动。当带电物质移动时，它会以电磁波（光）的形式产生新的电场和磁场。这种新的光波可以向任何方向传播，称为散射光。光散射的方向取决于粒子的大小（图5C）。在非常小的粒子中，散射光在各个方向上的传播大致相等（瑞利散射）。随着颗粒大小的增加，更多的散射光与最初的方向相同（米氏散射））。虽然光可以向任何方向散射，但太阳光的一部分被我们大气中的气溶胶粒子从地球表面散射出去，这就是造成直接气溶胶效应的原因。

间接气溶胶效应

间接气溶胶效应和云层有关系。为了形成云，地球大气需要两种主要成分：水蒸气和气溶胶颗粒。为什么形成云需要气溶胶颗粒？当我们大气中的水蒸气冷却时，它可以凝结成液相，形成一个云滴——但它需要一个表面来凝结！气溶胶颗粒充当该表面，使水蒸气凝结在其上形成云滴（图6）。

正因为如此，气溶胶粒子充当云凝结核，这意味着它们为云的形成提供了一个“起点”。云凝结核的性质和含量以两种主要方式影响云的形成：

• 涂米效应：随着云的形成，水蒸气将分布在所有可用的云凝结核中。当存在许多云凝结核时，水将分布在更多的颗粒中，从而产生更小、更多的水滴。根据你对光散射的了解（图5C），较小或较大的液滴更有效地将光散射回它来自的地方？液滴的数量如何影响反向散射的光量？
• 阿尔布雷希特效应：在存在许多云凝结核的情况下形成的云中，水滴更小更轻。因此，它们不太可能像雨一样从云中掉下来。在由少量云凝结核形成的云中，水滴更大更重，因此更有可能导致降雨。利用这种原理，人类可以实施人工降雨。

气溶胶对人类身体健康的影响

气溶胶颗粒会导致各种人类健康问题。与其他污染物相比，颗粒物能够影响更多人的健康。根据世界卫生组织(WHO)的估计，颗粒物污染每年导致大约700万人过早死亡，使其成为全球死亡的主要原因之一。

颗粒物对健康的影响与其大小直接相关。大于100μm的颗粒物通常太大而无法被吸入。我们可以吸入10-100μm之间的颗粒物，但这些颗粒物通常会被我们身体的“过滤器”——我们呼吸系统中的黏膜所阻止。

尺寸小于10微米的颗粒物被称为可吸入颗粒物，通常这类颗粒物可以通过人类身体的防御系统而进入到肺部。这些颗粒对健康的危害最大。可吸入粗颗粒的直径通常在2.5微米(PM2.5)和10微米(PM10)之间，通常在高速公路和工厂附近发现。如图7所示，这些颗粒通常沉积在鼻子、咽部和喉部。细颗粒物直径小于2.5μm(PM2.5)的，通常存在于烟雾中。这些颗粒物因为尺寸更小，所以能够更深地进入肺部；这些细颗粒中有很大一部分沉积在气管、细支气管和肺泡中。

可吸入颗粒物污染和许多健康问题都有关联：

• 哮喘加重
• 肺功能下降
• 气道刺激、咳嗽和呼吸困难
• 心脏病和肺病患者过早死亡
• 非致命性心脏病发作
• 心律不齐

由于气溶胶颗粒对健康的负面影响，美国环境保护署制定了国家环境空气质量标准，以限制环境空气中细颗粒和粗颗粒等空气污染物的水平。EPA使用0-500之间的数字（称为空气质量指数或AQI）来报告每日空气质量。每个AQI数字都与一定程度的健康风险相关。AQI基于《清洁空气法》规定的五种主要空气污染物：臭氧(O3)、颗粒物污染(PM2.5和PM10)、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)和二氧化氮(NO2）。

对于这些污染物中的每一种，空气中污染物的浓度都会转换为AQI指数上的一个数字。例如，表1显示了PM2.5和PM10的浓度范围及其对应的AQI指数数字。每天计算每种污染物的AQI，并报告AQI最高的污染物。在美国，颗粒物和地面臭氧的健康风险最高，因此通常会比较这些污染物的AQI。